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《武汉大学》 2017年
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北斗/GNSS实时精密定位服务系统关键算法研究与实现

屈利忠  
【摘要】:北斗系统作为我国独立自主建设的卫星导航系统,基于北斗的实时精密定位服务系统对于国民经济的发展和国防安全具有重要的意义。高精度的实时卫星轨道和卫星钟差是实现实时高精度定位的基础。实时卫星钟差解算时,通常将卫星轨道固定为超快速预报轨道,超快速预报轨道的精度决定了卫星钟差的精度,卫星轨道精度也会对PPP模糊度固定产生较大的影响。北斗二代系统是区域卫星导航系统,卫星星座包括GEO,IGSO和MEO卫星,不同类型卫星的超快速预报轨道精度不同。目前鲜有学者对北斗超快速预报轨道误差对北斗实时卫星钟差估计,北斗实时精密定位和非差模糊度固定的影响进行研究,因此是本文的主要研究内容。如今实时PPP已经在地震监测,海啸预警和GNSS气象学等领域得到了广泛的应用,在这些场景下,难免会遇到通信中断几分钟甚至几个小时的情况,当差分信号中断时,如何维持一段时间的高精度定位具有重要的意义。此外,在山区、丛林、荒漠、地震灾区、远海等地区,常规的无线通信方式很难保持系统与用户间通信畅通,从而不能及时有效地进行高精度定位。北斗系统具有特有的短报文通信功能,用户使用北斗短报文不受通信网络和所在位置的限制,可以很好地解决在上述环境下用户进行高精度定位的难题。本文以建立基于北斗卫星导航系统的实时精密定位服务系统为主要研究目标,同时解决差分信号中断情况下用户长时间精度维持问题以及实现基于北斗短报文低频次低带宽条件下的高精度定位。主要研究工作及贡献如下:1.系统地研究了北斗超快速预报轨道误差对实时卫星钟差估计的影响。卫星轨道径向误差对卫星钟差和用户定位的影响不受跟踪站网的分布和范围的限制。而卫星轨道切向误差对卫星钟差估计和用户定位的影响则与跟踪站网的分布和范围密切相关。北斗超快速预报轨道误差较大,采用广域跟踪网估计的北斗实时卫星钟差不能有效地吸收切向轨道误差,会对用户定位产生较大的影响,是建立基于北斗系统的实时精密定位服务系统的主要影响因素。本文基于实测的全球跟踪网数据,中国区域跟踪网数据和广东省CORS网数据对上述结论进行了验证。结果表明在目前北斗超快速预报轨道的精度下,基于密集的区域跟踪网数据估计的卫星钟差对北斗切向轨道误差吸收能力较强,即使采用北斗导航星历轨道,也能实现cm级的北斗实时精密单点定位。2.系统地研究了北斗超快速预报轨道误差对北斗FCB估计和非差模糊度固定的影响。本文基于广东省CORS网数据,分别采用北斗/GPS最终精密轨道,超快速预报轨道以及导航星历轨道进行卫星钟差估计,详细对比分析了不同卫星轨道误差对FCB估计,模糊度固定率以及PPP浮点解和固定解的影响。结果表明虽然基于区域跟踪网数据估计的卫星钟差可以吸收大部分的北斗切向轨道误差,但是残余的轨道误差仍然会对PPP非差模糊度固定产生一定的影响。北斗/GPS卫星窄巷FCB 一致性,窄巷模糊度固定率以及PPP浮点解和固定解的精度会随着轨道误差的变大而稍微变差。同时证明了即使采用北斗导航星历轨道,也可以实现区域的北斗PPP非差模糊度固定。3.在地震监测,海啸预警和GNSS气象学等领域,经常会遇到差分信号中断几分钟甚至几个小时的情况,此时为了保证定位的连续性,通常会切换的导航星历模式,从而导致定位精度下降到m级。本文提出了通过对接收到的实时卫星钟差采用滑动窗口的方式进行预报,可以维持至少3个小时的分米级定位,显著改善采用导航星历导致定位精度变差的情况;同时针对GPS BLOCK IIF卫星钟差预报模型不明确的情况,提出了应当采用附加周期项的二次多项式模型进行钟差预报。4.实时定位系统的通信方式主要包括移动通信网络,无线电信标台和通信卫星等。这些通信方式在特殊环境下容易受到障碍物的遮挡从而影响差分数据的稳定传输。本文提出了基于北斗短报文的差分数据通信,解决了上述场景下如何实现连续地高精度定位问题,实现了 RNSS与RDSS的有效结合。本文制定了基于北斗短报文通信功能的差分数据的编码格式和使用方法,解决了北斗短报文低频次低带宽数据传输限制情况下的高精度定位的难题,同时验证了基于北斗短报文通信的定位效果。
【学位授予单位】:武汉大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:P228.4

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